【电路分析】一种跨阻放大器应用电路的噪声估算

硬件电子工程师

【摘要】
4 C8 P- @' |5 E目前大家设计得最多的莫过于高速数字芯片及相关电路设计和应用，对模拟的电路部分的设计涉及得很少。这里简单介绍一下高带宽低噪声跨阻放大器（TIA）应用电路的噪声估算方法，主要涉及的参数有带宽、增益及噪声。
一、引言
* Z. o5 }; H* r$ g: H* B1 W1 n尽管目前很多模拟电路都集成到芯片的内部，只留了少量的电阻电容之类的元件在外面，减少设计的难度，但还是会有少数应用电路需要用到模拟芯片，比如说做一块处理微弱的模拟信号的评估板，需要放大好几级，没有专用芯片进行放大，就只能用模拟器件去搭建。对于微弱的信号，其信噪比是非常关键的参数，决定了小信号是否能检测出来。提高信噪比的重要方法是将低噪声，所以我们设计此类电路必须要对噪声进行估算，选择性价比合适的芯片，以提高设计的性能。这里简单介绍一下高带宽低噪声电路的噪声估算方法。
二、光电二极管+低噪声跨阻放大器的噪声估算
在光通信应用中，用得最多的两种光电二极管是PIN和APD。由于这种光电二极管产生的电流都很小，所以不能用一般输入噪声大的跨阻放大器直接处理。在实际应用中要求放大器具有高带宽、低噪声、高增益的性能，以便检测出微弱的信号，增强信噪比及信号质量、减小误码率，提高动态范围。
  x2 Z, O+ ~6 h8 ]7 K& y, L; @+ p以下是工程中一典型的电路，电路主要由光电二极管和跨阻放大器组成。
2 e+ T: }0 y6 i) W+ L! H% PCpd---为光电二极管自身的电容，
Cin---为放大器输入电容，
5 X5 f) n$ u; u7 L" ARf---为跨阻，将电流转化为电压，
7 e6 T4 l1 y' `, WCf---为相位补偿电容。

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; Z6 V7 _! y' K* j6 J: Z信号的-3dB带宽为：
1 G6 w# f3 x0 W* f5 r+ q3 r

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: g4 r7 j4 b: E) y* c2 L8 O1 k其中，GBP为带宽增益积
Ct为Cpd、Cin之和
为了使电路稳定，最佳相位补偿电容的值为
7 y5 ?) n* y# b7 M+ z

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等效输入噪声电流为
9 q6 `+ |+ P2 P, G& u! q

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其中，In为放大器反向输入端的电流输入噪声
* \: X; Y4 t# _. v; R% ?           En为放大器的输入电压噪声
           Cpd为光电二极管的电容
            F为链路的信号频率
! b8 i6 W! o8 w& i, X9 |

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$ V: f# w2 K" u; ^# A0 x7 HTIA输出的均方根噪声电压为：

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其中，
* T: Q9 R( k/ [* w. u& W4 {5 ?I^2npd为光电二极管的均方根噪声电流
: t* P: m9 j; Q( x: b5 yF为放大器输出的带宽
$ ^8 g2 f, A% m7 }设APD输出有用信号电流为Ipd
7 n5 w) h/ R% `5 p1 @7 d9 ~, L% B，则其信噪比为：
, X; w  @( S6 ~5 ?. S, \2 t- L

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三、结论
; e- B6 }3 l- J! B/ A2 M1 v0 w此电路的设计时要注意的几点：为了得到更高的带宽和增益，需要选择带宽增益积大的芯片，Rf越大，增益越高；为了得到更高的信噪比，需要选择输入电压/电流噪声小的芯片，另外，如果在带宽允许的前提下，可以适当降低带宽，增加Rf。
四、总结
, I2 C2 U/ W$ L3 B. d利用上述的几个公式，我们很容易就能估算出TIA电路的噪声范围，对放大器的选型、后端电路的设计及误码率的计算具体一定的参考意义。